KR20170113616A - 원자로 냉각재 시스템을 탈가스시키기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
원자력 발전소의 원자로 냉각재 시스템으로부터의 배출 증기로부터 용존 수소 및 핵분열 가스를 제거하기 위한 인라인(in-line) 용존 가스 제거 멤브레인 기반의 장치는 컨택터, 진공 생성기, 액체 배출 도관 및 가스 배출 도관을 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 원자력 발전소 내에서 원자로 냉각재로부터 용존 가스를 제거하기 위한 프로세스에 관한 것이고, 특히, 냉각재가 멤브레인에 걸쳐서 흐르고 진공을 적용하여 가스를 추출함으로써, 용존 수소 및 핵분열 가스(fission gas)를 제거하기 위한 장치에 관한 것이다.
가압수형 원자력 발전소 운전정지 동안에, 원자로 용기 냉각재 배출 노즐의 중간면(mid-plane)에 대한 원자로 용기 플랜지 아래의 높이로 원자로 냉각재 시스템을 드레인(drain)시키는 것이 통례이다. 이러한 중간면은 증기 생성기로 이어지는 연결 "핫 레그" 파이핑의 중간면과 일치한다. 이러한 드레인(drain down)은 운전정지 동안에, 펌프, 증기 생성기, 지지 구조체 및 다른 초기의 시스템 구성요소의 검사, 테스트 및 유지보수를 허용한다.
원자로 작동 동안에, 핵연료에서 발생되는 핵분열 반응에 의해 생성되는 일부 핵분열 가스, 예를 들면, 제논 및 크립톤은 원자로 냉각재 시스템으로 들어가서, 원자로 냉각재 내에 용해될 수도 있다. 운전정지 후, 그러나 연료보충 및 유지보수 작업 개시 전에, 방사성 가스 및 수소의 농도는, 발전소 유지보수 검사 직원에 대한 과도한 방사선 노출을 방지하고, 격납 대기 중 공기 및 수소의 가연성 혼합물을 터뜨리는 잠재적인 스파크(spark)로 인한 폭발의 가능성을 감소시키도록 저감되어야 한다.
이전에, 원자로 냉각재 시스템에 연결된 용적 제어 탱크를 사용하여 원자로 냉각재에서 가스가 제거되었다. 일반적으로, 원자로 냉각재 시스템은 주로, 원자로 용기, 증기 생성기, 원자로 냉각재 펌프 및 연결 파이핑과 같은 이러한 원자로 송기 시스템 구성요소를 포함한다. 용적 제어 탱크는 원자로 냉각재의 외부로, 그리고 용적 제어 탱크의 공기 공간(vapor space) 내로 용존 수소 및 방사성 가스를 급송함으로써 탈가스 모드로 작동하는 화학적 및 용적 제어 시스템으로 알려진 시스템의 일부분이다. 이러한 시스템의 일례는 미국 특허 제 4,647,425 호에서 발견할 수 있었다.
전형적으로, 유출 유동(letdown flow)으로 불리는 원자로 냉각재의 비교적 적은 유동이 원자로 냉각재 시스템으로부터 화학적 및 용적 제어 시스템을 통해 우회된다. 이러한 증기는 먼저 냉각되고, 그 다음에 혼상탈염기(mixed bed demineralizer) 내에서 정제되고, 용존 이온 또는 부유 분체(suspended particulate material)를 제거하도록 필터링되고, 용적 제어 탱크로 넘어간다.
미국 특허 제 4,647,425 호는 이러한 화학적 및 용적 제어 시스템 절차에 대한 개선책을 제안하고, 원자로 냉각재에서 효율적으로 가스를 제거하는데 요구되는 시간을 감소시킨다. 이 특허에 의해 제안된 방법은 원자로 냉각재 시스템을 진공 탈가스시키기 위해 제공된다. 본 방법은 원자로 냉각재 시스템을 대략 핫 레그의 중간 지점으로 드레인시키는 것과, 드레인 작업 동안에 배기 장치가 없는 조건에서 원자로 냉각재 시스템을 유지하는 것을 포함한다. 그 다음에, 증기 생성기의 1차측에서 임의의 급송된 원자로 냉각재가 환류(reflux)된다. 상기 언급한 특허에서 사용된 바와 같이, 급송된 원자로 냉각재는 낮은 주위 압력의 결과로서, 증기상(steam phase)으로 급송되는 액체 냉각재를 의미한다. 환류된다는 것은 응축되고 냉각되는 것을 의미한다. 환류된 원자로 냉각재뿐만 아니라, 원자로 냉각재의 대부분은 잔열 제거 시스템을 통해 순환되어, 원자로 냉각재를 냉각시킨다. 진공은 원자로 냉각재 시스템으로 이끌어져서, 원자로 냉각재로부터 탈기된 임의의 가스를 배기시킨다. 바람직하게, 냉각재 시스템을 드레인시키는 단계가 드레인 동안에 배기 장치 없는 원자로 용기 및 원자로 냉각재 시스템 내에서 부분적인 진공을 확립한다. 부분적인 진공은 원자로 냉각재가 원자로 냉각재 시스템 내에서, 통상의 온도에서 비등되게 하기에 충분하여, 드레인 단계 동안에 탈가스가 발생한다.
도 1은 현재 사용중인 진공 탈가스 시스템(10)의 하나의 종래 분야의 실시예를 도시한다. 유출 유동은 유입구(12)에서 시스템으로 들어가고, 탈기(degasifier) 칼럼 용기(16)의 유입구(14)로 향하고, 이 배출 유동이 스프레이 헤드부(18)를 통해 용기의 내부로 들어간다. 용기는 탈기 진공 펌프(36)에 의해 도관(20)을 통해 용기를 진공 흡인시킨다. 증발되지 않은 과잉 원자로 냉각재는 방출 펌프(22)에 의해 용기로부터 배수되고, 펄스 완충기(pulse dampener)(24)가 다이어프램 방출 펌프(22)에 의해 생성된 펄스를 매끄럽게 하도록 채용된다. 방출 펌프(22)를 통해 배수된 냉각재는 시스템으로 복귀하거나 폐기되기 위해 저장 탱크(holding tank)(26)로 배수된다. 탈기 칼럼 용기(16) 내에서의, 냉각재로부터 분리되는 비-응축 가스 및 수증기는 임의의 연행된 냉각재를 제거하도록 데미스터(demister)(28)를 통해 안내되고, 공기 응축기(30)로 이송되며, 이 공기 응축기 내에서 이러한 비-응축 가스 및 수증기가 유입구 및 배출구(32 및 34)를 통해 공기 응축기를 들어가고 빠져나오는 냉각된 물(chilled water)과 열교환 관계로 위치된다. 그 다음에, 방사성 가스 및 수소는 진공 펌프(36)에 의해 탈기 분리기(38)로 배기된다. 그 다음에, 분리된 냉각재는 탈기 분리기 펌프(40)에 의해 배수되고, 저장 탱크(26)로 방출된다. 방사성 가스 및 수소는 탈기 분리기(38) 공기 공간으로부터 발전소 방사성 폐가스 시스템(42)으로 통기된다. 유지보수 전에 임의의 잔여 수소 및 방사성 가스를 퍼지(purge)하기 위해 질소 퍼지 라인(44)이 제공된다.
이러한 종래의 접근법은 대형의 진공 펌프, 다수의 구성요소, 예를 들면, 탈기 칼럼, 이송 펌프, 분리기 용기, 상호연결 파이핑, 밸브 및 계기 장치를 작동시키기 위한 상당한 에너지를 필요로 하고, 상당한 건축 공간 및 지지 시스템, 예를 들면 냉각수/냉수를 필요로 한다. 따라서, 이러한 시스템이 긴 실적을 갖는 동안, 디자인을 단순화시키고, 시스템을 작동시키는데 필요한 에너지와, 시스템을 수용하는데 요구되는 건축 공간의 양을 저감시키며, 시스템의 기본 및 유지보수 비용을 저감시키는 추가의 개선점이 소망된다.
이러한 목적 및 다른 목적이 원자로 냉각재로부터 방사성 가스 및 수소 가스를 제거하기 위한 원자력 발전소 서브시스템에 의해 달성된다. 서브시스템은 컨택터(contactor) 하우징의 내부를 유입 챔버 및 배출 챔버로 분할하는 멤브레인을 수용하는 컨택터를 포함하고, 멤브레인은, 방사성 및 수소 가스를 유입 챔버로부터 배출 챔버로 흐르게 하지만, 원자로 냉각재가 배출 챔버를 통과하는 것을 방지하는 기공을 구비한다. 진공 생성기는 배출 챔버를 진공 흡인하기 위해 배출 챔버에 연결된다. 원자로 냉각재의 탈가스된 부분을 소망의 위치로 이송시키기 위해 액체 배출 도관이 유입 챔버 상의 배출 노즐에 연결된다. 유사하게, 방사성 및 수소 가스를 원자력 발전소 폐가스 시스템으로 이송시키기 위해 가스 배출 도관이 배출 챔버 상의 배출 노즐에 연결된다.
일 실시예에 있어서, "스위프(sweep)" 가스 시스템은 배출 챔버 내에 비교적 적은 비활성 가스 퍼지 유동을 공급하기 위해 배출 챔버에 연결되고, 바람직하게, 이 비활성 가스는 질소이다. 진공의 적용과 조합되는 스위프 가스는 멤브레인의 용존 가스 제거 효율을 향상시켜서, 요구되는 컨택터의 개수를 최소화한다. 또 다른 실시예에 있어서, 컨택터 하우징은 병렬로 연결된 복수의 컨택터 하우징을 포함한다. 대안적으로, 컨택터 하우징은 직렬로 연결될 수도 있다. 또 다른 실시예에 있어서, 컨택터 하우징은 복수의 컨택터 하우징을 포함하고, 이러한 복수의 컨택터 하우징 중 적어도 일부는 병렬로 연결되고, 이러한 병렬로 연결된 컨택터 하우징 중 일부는 복수의 컨택터 하우징 중 적어도 하나의 다른 컨택터 하우징과 직렬로 연결된다. 또 다른 실시예에 있어서, 컨택터는 스위프 가스없이 작동될 수도 있지만, 직렬 및/또는 병렬의 추가의 컨택터를 필요로 할 수도 있다.
본 발명의 추가의 이해는 첨부 도면과 함께 읽을 때, 바람직한 실시예의 이하의 설명으로부터 획득될 수 있다.
도 1은 종래 기술의 진공 탈가스 시스템의 개략적인 레이아웃,
도 2는 점선 내에서 도 1의 시스템의 일부분을 대체하는 본 발명의 구성요소의 일 실시예의 개략적인 레이아웃,
도 3은 출력량을 더욱 증가시키도록 추가의 컨택터 하우징이 컨택터 하우징의 2개의 병렬 배열과 직렬로 위치되는 상태의 도 2의 시스템의 개략적인 레이아웃.
도 2는 점선 내에서 도 1의 시스템의 일부분을 대체하는 본 발명의 구성요소의 일 실시예의 개략적인 레이아웃,
도 3은 출력량을 더욱 증가시키도록 추가의 컨택터 하우징이 컨택터 하우징의 2개의 병렬 배열과 직렬로 위치되는 상태의 도 2의 시스템의 개략적인 레이아웃.
본 발명은 원자로 냉각재로부터 용존 가스를 제거하는 가스 멤브레인의 알려지고 확립된 기술을 이용한다. 이 기술이 일부 적용에 대해 알려지고 증명된 기술이지만, 과거에 제안되고 미국 특허 제 4,647,425 호의 배경기술에 기재된 종래 기술의 평가 내에 설명된 대안적인 원자로 탈가스 시스템에 의해 증명된 바와 같이, 원자로 시스템의 초기 냉각재와 접촉하여 존재하는 가벼운 산성 및 방사성 용액을 처리하도록 이전에 채용되지 않았었다.
본 발명에 따르면, 가스 멤브레인을 각각 수용하는 하나 이상의 대안적인 "컨택터"는 소망의 유동 및 가스 제거의 정도를 처리하도록 요구된 바와 같이, 직렬 및/또는 병렬로 정렬된다. 용존 수소 및 방사성 가스, 즉, 제논 및 크립톤을 주로 포함하는 액체는 비교적 낮은 압력에서 컨택터로 들어가고, 소망 레벨로 탈가스되는 멤브레인을 빠져나온다. 진공은 멤브레인의 벽의 작은 기공을 통해 액체로부터 용존 가스를 빼내도록 멤브레인의 가스측에 적용된다. 게다가, 진공측 상의 작은 비활성 가스 스위프 가스, 예를 들면, 질소 유동은 용존 가스 제거를 증대시키는데 사용된다. 이러한 가스 유동은 요구되는 컨택터의 개수를 최소화한다. 유입구 및 배출구 용존 수소 분석기는 멤브레인의 성능을 모니터링한다. 이러한 시스템은 도 2 및 도 3에 도시된다. 도 2는 병렬의 2개의 컨택터(46)를 도시되지만, 1개, 3개 또는 4개 또는 그 이상의 컨택터가 요구되는 유동 속도를 처리하도록 필요에 따라 병렬로 채용될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 도 3은 도 2에 도시된 바와 같이, 병렬의 2개의 컨택터를 도시하고, 제 3 컨택터가 병렬의 2개의 컨택터의 출력과 직렬이 되어, 탈가스된 냉각재 증기 내에 남아 있을 수도 있는 가스의 양을 더욱 감소시킨다.
도 2를 다시 참조하면, 유출 증기(letdown stream)는 유입구(12)에서 시스템으로 들어가고, 유입 도관(48)을 통해 컨택터(46) 상의 각각의 유입구(50)로 분배된다. 진공 펌프(54)에 의해 가스 배출구(52)에서 멤브레인의 가스측에 진공이 적용되고, 바람직하게, 질소의 적은 비활성 가스 유동은 질소 공급부(nitrogen source)(58)로부터 가스 유입구(56)에 도입된다. "비활성 기체"는 탈기된 가스(stripped gas), 즉, 방사성 가스 또는 수소와 반응하지 않아서, 폐가스 시스템으로 통기될 때 바람직하지 않은 또는 유해 가스 혼합물을 형성하는 가스를 의미한다. 예를 들어, 헬륨 가스는 사용될 수도 있지만, 산소는 사용되지 않을 수도 있다. 컨택터(46) 내의 멤브레인은 냉각재가 가스 배출구(52)로 흐르는 것을 방지하기에는 충분히 작지만, 수소 및 방사성 가스가 멤브레인을 통과할 수 있게 하기에는 충분히 큰 기공을 구비한다.
노스 캐롤리나주 샬롯의 멤브라나 코퍼레이션(Membrana Corporation)으로부터 이용가능한 Liqui-Cel과 같은 이러한 컨택터가 상용화된다. 그 다음에, 탈가스된 냉각재는 배출구(60)에서 컨택터(46)를 빠져나가고, 배출 도관(62)에 의해 이 냉각재가 원자로 시스템에 복귀되거나 처리될 수 있는 저장 탱크(26)로 이송된다. 많은 컨택터(46)가 필요에 따라 병렬로 배치될 수 있어서, 재활용되거나 처리될 필요가 있는 대량의 가스 함유 냉각재(gas laden coolant)를 처리한다. 그 다음에, 추출된 수소 및 방사성 가스 및 질소 스위프 가스가 진공 펌프(54)에 의해 발전소 방사성 가스 폐기 시스템(42)으로 순환된다. 질소 공급부(58)는 또한 가스 라인 내에 유동을 제공하여, 유지보수를 위해 시스템의 가스 출구측을 퍼지한다. 깨끗한 탈염수(44) 공급부는 유지보수 전에 컨택터 및 파이핑의 액체측의 세척을 위해 제공된다.
도 3은 추가의 컨택터(46)가 도 2에 도시된 컨택터(46)의 병렬 배열과 함께 직렬로 위치되는 위치되는 것을 제외하고는 도 2와 동일하고, 시스템을 빠져나가는 냉각재의 순도를 증가시키도록 탈가스의 다른 단계를 제공한다. 센서는 프로세스의 효율을 모니터링하도록 시스템 전체에 걸쳐서 제공된다.
본 발명의 구체적인 실시예가 상세히 기술되었지만, 본 개시내용의 전체 교시에 비추어 이러한 상세사항에 대한 다양한 변경 및 대안이 이루어질 수 있음을 당업자는 인식할 것이다. 따라서, 개시된 특정 실시예는, 단지 예시적인 것이며, 첨부된 특허청구범위의 최대 범위 및 그것의 임의의 그리고 모든 등가물로 주어지는 본 발명의 범위에 대한 제한이 아닌 것으로 의도된다.
Claims (7)
- 원자로 냉각재(12)로부터 방사성 가스 및 수소 가스를 제거하기 위한 원자력 발전소 서브시스템(10)에 있어서,
멤브레인을 수용하는 컨택터(46)로서, 상기 멤브레인은 상기 컨택터의 내부를 유입 챔버 및 배출 챔버로 분할하고, 상기 멤브레인은 상기 방사성 및 수소 가스를 상기 유입 챔버로부터 상기 배출 챔버로 통과시키지만, 상기 원자로 냉각재(12)가 상기 배출 챔버를 통과하는 것을 방지하는 기공을 구비하는, 상기 컨택터(46)와,
상기 배출 챔버(52)를 진공 흡인하기 위해 상기 배출 챔버(52)에 연결된 진공 생성기(54)와,
상기 원자로 냉각재(12)의 탈가스된 부분을 소망의 위치(26)로 이송하기 위해 상기 유입 챔버 상의 배출 노즐에 연결된 액체 배출 도관(60)과,
상기 방사성 및 수소 가스를 원자력 발전소 폐가스 시스템(42)으로 이송하기 위해 상기 배출 챔버 상의 배출 노즐에 연결된 가스 배출 도관(52)을 포함하는
원자력 발전소 서브시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 배출 챔버 내에 비교적 적은 비활성 가스 스위프 유동을 공급하기 위해 상기 배출 챔버(50)에 연결된 비활성 스위프 가스 공급부(58)를 포함하는
원자력 발전소 서브시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 비활성 가스는 질소인
원자력 발전소 서브시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 비활성 가스는 헬륨인
원자력 발전소 서브시스템. - 제 1 항에 있어서,
컨택터(46) 하우징은 병렬로 연결되는 복수의 컨택터 하우징을 포함하는
원자력 발전소 서브시스템. - 제 1 항에 있어서,
컨택터(46) 하우징은 직렬로 연결되는 복수의 컨택터 하우징을 포함하는
원자력 발전소 서브시스템. - 제 1 항에 있어서,
컨택터(46) 하우징은 복수의 컨택터 하우징을 포함하고, 상기 복수의 컨택터 하우징 중 적어도 일부의 컨택터 하우징은 병렬로 연결되고, 병렬로 연결된 상기 컨택터 하우징 중 일부의 컨택터 하우징은 상기 복수의 컨택터 하우징 중 적어도 하나의 다른 컨택터 하우징과 직렬로 연결되는
원자력 발전소 서브시스템.
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