KR20190137934A - 상업적 전기 생산을 위한 매우 단순화된 비등수 원자로들 - Google Patents

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KR20190137934A
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지이-히타치 뉴클리어 에너지 어메리카스 엘엘씨
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Abstract

원자로들은 고장 가능성을 상당히 감소시키기 위해 매우 적은 수의 시스템들만을 갖는다. 원자로들은 자연 순환 가능한 높이 및 0 내지 350메가와트-전기 범위 내에서 보다 작고 유연한 에너지 출력을 갖는 비등수 원자로들일 수 있다. 원자로들은 침투 불가능하고 고압의 격납 건물에 의해 완전히 둘러싸인다. 어떠한 냉각제 수조들, 히트 싱크들, 액티브 펌프들 혹은 다른 비상 유체 소스들도 격납 건물 냉에 존재하지 않는다; 분리 응축기 시스템들과 같은 비상 냉각은 격납 건물 바깥에 배치된다. 원자로 압력 용기와 일체적으로 형성된 분리 밸브들은 격납 건물을 통해 상기 원자로로 작동하는 비상 유체를 공급한다. 분리 밸브들은 하나의 조각이거나, 용접되거나, 혹은 다른 방법으로 전단 파괴의 위험을 제거할 수 있는 ASME 기준을 갖는 원자로들 및 유체 도관들과 일체적으로 형성된다. 격납 건물은 완전히 지하에 배치될 수 있으며 내진 설계되어 그 영역 및 지상의 타깃 영역을 최소화할 수 있다.

Description

상업적 전기 생산을 위한 매우 단순화된 비등수 원자로들
도 1은 본 발명과 관련된 경제적으로 단순화된 비등수 원자로(ESBWR) 내에서 원자력을 생산하기 위한 연료(41) 및 원자로 내부 구조물들의 다양한 배치를 갖는 원자로 압력 용기를 수용하는 격납 건물(containment)(36)의 개략도이다. 원자로(42)는 종래 핵분열을 통해 수천 메가와트의 열 에너지를 생산 가능하거나 생산하도록 허용된다. 원자로(42)는 드라이 웰(drywell)(51) 내에 배치되며, 드라이 웰(51)은 상부 드라이 웰(drywell)(54), 및 외부 부품들 및 인력을 위해 원자로(42) 아래에서 이를 둘러싸는 공간을 제공하는 하부 드라이 웰(3)을 포함한다. 원자로(42)는 전형적으로 수십 미터의 높이를 가지며, 격납 건물(36)은 지면 고도보다 훨씬 높아서 자연 순환 냉각 및 지면에서의 건설을 용이하게 한다. 베이스매트-내부 용융 저지 및 냉각(Basemet-internal Melt Arrest and Coolability; BiMAC) 장치라고 불리는 희생 용융층(1)은 원자로(1) 바로 아래에 배치되어 잠재적으로 떨어질 잔해, 용융된 원자로 구조물들 및/또는 냉각수를 냉각시키고 이들이 지면 아래의 격납 건물(36)로 진행하는 것을 방지한다.
몇 개의 서로 다른 수조들(pools) 및 유로들은 격납 건물(36) 내부에 비상 노심 냉각 시스템을 구성하여 플랜트 내의 일시적인 냉각 성능 손실의 경우 원자로(26)에 유체 냉각제를 제공한다. 예를 들어, 격납 건물(36)은 고리형 혹은 다른 형상으로 원자로(42)를 둘러싸며 감압 수조(suppression pool)(59)를 보유하는 압력 억제 챔버(58)를 포함할 수 있다. 감압 수조(59)는 주류 라인으로부터 증기를 응축 및 히트 싱크를 위한 감압 수조(59)로 분기시키는 데 사용되는 긴급 증기 벤트(vent)를 포함할 수 있으며, 격납 건물(36)의 과열 및 과압을 방지할 수 있다. 감압 수조(59)는 또한 드라이 웰(54)로 유체가 흐르도록 하여 감압 수조(59)로 배수되거나 펌핑되도록 하는 유로들을 포함할 수 있다. 감압 수조(59)는 나아가 냉각수 손실 사고에 따른 격납 건물(36)로부터의 열이나 압력을 제거할 수 있는 다른 열-교환기들 혹은 드레인들을 포함할 수 있다. 비상 노심 냉각 시스템 라인 및 펌프(10)는 손실된 급수 및/또는 다른 비상 냉각제 공급을 보충하기 위해서 감압 수조(59)로부터 냉각제를 원자로(42)로 주입할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 중력 낙하식 냉각 시스템(Gravity-Driven Cooling System: GDCS) 수조(37)는 나아가 파이프(57)를 통해 냉각제를 원자로(42)로 공급할 수 있다. 피동 격납 냉각 시스템(Passive Containment Cooling System: PCCS) 수조(65)는 격납 건물(36) 내에서 원자로 감압을 통한 격납 건물 압력 감소 혹은 주류 라인 붕괴를 통해 생성되는 어떠한 증기도 응축할 수 있으며, 상기 응축된 유체를 GDCS 수조(37)로 도로 공급할 수 있다. 분리 냉각 시스템(Isolation Cooling System: ICS) 수조(66)는 원자로(42)로부터의 압력에서 직접 증기를 수집하여 이를 원자로(42)로 되돌려 재순환시키기 위해서 응축할 수 있다. 이러한 안전 시스템들은 다양한 원자로 디자인들과의 조합으로 사용될 수 있으며, 이들 각각은 필요한 냉각제 공급, 열 제거 및/또는 압력 강하를 통해 격납 건물(36) 내의 노심(41), 원자로(42) 및 다른 모든 구조물들의 과열 및 손상을 방지하는 효과를 가질 수 있다. 몇몇 추가 시스템들은 전형적으로 격납 건물(36) 내에 존재하며, 몇몇 다른 보조 시스템들도 ESBWR 내에 사용된다. 그러한 ESBWR은 GE 히타치 원자력이 작성한 2011년 6월 1일자 "ESBWR 플랜트 일반 서술"에 기재되어 있으며, 본 명세서에 일체로서 병합되어, 이하에서는 "ESBWR"로 지칭된다.
예시적인 실시예들은 격납 건물 바깥에서 사실상 고장 모드를 갖지 않는 원자로들을 제공한다.
예시적인 실시예에 따른 원자로들은 압력 용기 내에서 자연 순환을 가능하게 하는 높이 대 폭 비율이 큰 ESBWR과 유사할 수 있지만, 이보다 더 작으며, 특히 폭 방향으로 더 작을 수 있고, 1000메가와트 이하의 열 에너지를 생산할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 격납 건물들은 원자로를 완전히 둘러쌀 수 있으며 상기 격납 건물로부터 바깥으로의 유체 누설을 상승된 압력에서도 방지할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 격납 건물들은 GDCS 수조들, 감압 수조들 혹은 움직이는 냉각제 펌프들과 같은 냉각제 소스들을 갖지 않고 극대로 단순화될 수 있다. 격납 건물 바깥의 분리 응축기 시스템들과 같은 하나 혹은 그 이상의 냉각제 소스들은 원자로에 장기간 신뢰할 수 있는 냉각을 제공하기에 충분하다. 예시적인 실시예에 따른 분리 밸브들은 원자로에 대한 매 유체 연결에 사용되어 주 냉각제 유로 및 비상 냉각제 소스를 포함하는 상기 원자로를 일체적으로 분리가능하게 할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 분리 밸브들은 과잉(redundant)이고 상기 원자로 및 유체 도관에 일체적일(integral) 수 있으며, 원자로 용기에 ASME 원자력 표준에 맞게 제조되어 전단 파괴의 위험을 제거할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 격납 건물이 관통되는 곳에서, 관통 씰들은 높은 압력으로 격납 건물을 둘러싸고 침투 불가능하게 만들 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 격납 건물들 및 원자로들은 완전히 지하에 설치될 수 있으며, 비상 냉각수 소스와 함께 내진 사일로에 의해 둘러사여 지진 및 다른 충격들로부터 이를 차폐시킬 수 있다. 상기 사일로 및 격납 건물을 커버하는 하나의 상단 실드와 같이 접근이 제한적으로만 허용되어, 유지, 플러딩(flooding) 및/또는 연료 재공급과 같은 단순화된 접근만이 제공된다.
예시적인 실시예들은 첨부된 도면들을 참조하여 자세히 설명함으로써 보다 명확해질 것이며, 동일한 구성 요소들은 동일한 참조 부호를 부여하지만, 이는 단순히 설명을 위한 것이지 이들이 묘사하는 용어들을 한정하지는 않는다.
도 1은 본 발명에 관련된 원자력 격납 건물 및 내부 구조물들에 관한 개략도이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 매우 단순화된 비등수 원자로 시스템의 개략도이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 시스템들과 함께 사용가능한 예시적인 실시예에 따른 밸브의 개략도이다.
이것은 특허 문서이므로, 이를 읽거나 이해할 때, 일반적으로 광범위한 해석의 원칙이 적용되어야 한다. 이 문서에 기재되고 도시된 모든 것들은 첨부된 청구항들의 범위 내에 속하는 주제(subject matter)의 예시이다. 여기에 기재된 어떠한 특정 구조나 기능적 세부 사항들은 단순히 예시적인 실시예들이나 방법들을 제조하거나 사용하는 방법을 기재하기 위한 목적일 뿐이다. 여기에 구체적으로 기재되지 않은 몇몇 다른 실시예들은 청구항 범위 내에 속하며, 이에 따라 청구항들은 많은 다른 형태로 구체화될 수 있고 여기에 개시된 실시예들에만 한정되도록 해석해서는 안 된다.
제1, 제2 등의 용어들이 다양한 구성 요소들을 기재하는 데 여기에서 사용될 수 있지만, 이러한 구성 요소들은 이 용어들에 한정되어서는 안 된다. 이러한 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 것과 구별하기 위해서만 사용된 것이다. 예를 들어, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 지칭할 수도 있으며, 이와 유사하게, 예시적인 실시예들의 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제2 구성 요소 역시 제1 구성 요소로 지칭될 수도 있다. 여기에 사용된 "및/또는"의 용어는 관련된 아이템들의 하나 혹은 그 이상의 어떠한 조합도 포함한다.
하나의 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합", "짝지어짐", "부착" 혹은 "고정"된다고 기재하는 경우, 이는 그 다른 구성 요소에 직접 연결 혹은 결합되거나 혹은 매개 구성 요소가 존재할 수도 있다. 이와는 반대로, 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결" 혹은 "직접 결합"되는 것으로 기재된 경우에는, 어떠한 매개 요소들도 존재하지 않는다. 구성 요소들 사이의 관계를 기재하기 위해 사용하는 다른 단어들(예를 들어, "사이"와 "직접 사이", "인접"과 "직접 인접", 등)도 이와 같이 해석되어야 한다. 유사하게, "통신가능하게 연결"과 같은 용어는 중간의 장치들, 네트워크들 등을 포함하여 무선으로 연결되든지 혹은 아니든지, 두 개의 장치들 사이에 정보 교환의 모든 다양한 변형들을 포함한다.
여기에 사용된 바와 같이, "하나" 혹은 "상기"와 같은 단수 형태는, 언어적으로 명백하게 단수만을 포함하는 경우가 아닌 한, 단수형뿐만 아니라 복수형도 포함한다. 또한 "포함한다"의 용어는 여기에 사용될 때, 언급된 특징들, 단계들, 작용들, 구성 요소들, 아이디어들 및/또는 부품들의 존재를 명시하는 것이지만, 하나 혹은 그 이상의 특징들, 단계들, 작용들, 구성 요소들, 아이디어들 및/또는 그룹들이 존재하거나 이들을 추가하는 것을 배제하지는 않는다.
이하에서 논의될 구조들 및 동작들은 도면에서 기술되거나 지적된 순서와 다를 수도 있다. 예를 들어, 두 개가 동작들 및/또는 도면들이 연속적으로 도시된 경우라도, 관련된 기능/작용들에 따라, 실제로는 동시에 혹은 때때로는 그 반대 순서로 실행될 수도 있다. 유사하게, 이하에 기재될 예시적인 방법들 내에서 개별적인 동작들은 반복적으로, 개별적으로 혹은 연달아 실행될 수 있으며, 이에 따라 이하에서 기대될 하나의 동작들 이외에, 순환 혹은 다른 일련의 동작들을 제공할 수도 있다. 이하에서 기재될 특징들 및 기능을 갖는 어떠한 실시예도 실행 가능한 어떠한 조합 내에서 예시적인 실시예들의 범위 내에 속할 수 있다.
발명자들은 ESBWR이 큰 원자로 부피 및 건설 비용과 관련되어 1000 메가와트 이상의 큰 전력량을 가짐을 알게 되었다. 발명자들은 나아가 큰 크기를 갖는 ESBWR은 지면 상에서만 건설할 수 있는 큰 격납 건물들을 일반적으로 필요로 함을 알게 되었다. ESBWR은 또한 원자로로 이어지며 부서지거나 누수되어 냉각제 손실 사고를 일으키는 파이프 도관들이나 다른 유로들을 갖는 수많은 피동 안전 시스템들을 사용한다. 발명자들은 나아가 ESBWR이 즉각적인 혹은 최정점의 전력 생산 능력이 필요한 영역들에서 건설이나 작동의 모듈성 혹은 유연성없이, 주로 장기간 베이스라인 전력 생산에 사용가능함을 알게 되었다. 이러한 새롭게 알게 된 문제들 및 다른 문제들을 극복하기 위해서, 발명자들은 이하에서 기술되는 예시적인 실시예들 및 방법들을 개발했으며, 이러한 예시적인 실시예들에 의해 가능하게 된 독특한 해결책들을 통해 이러한 문제들 및 다른 문제들을 처리할 수 있다.
본 발명은 원자로들, 이를 수용하는 플랜트들, 및 이러한 원자로들 및 플랜트들을 작동하는 방법들에 관한 것이다. 본 발명에 대비하여, 아래에 기재되는 적은 수의 예시적인 실시예들 및 예시적인 방법들은 본 발명으로서 및/또는 이것과 연계되어 사용될 수 있는 서로 다른 구성들의 부분 집합을 단순히 예시한다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 원자로(142), 예시적인 실시예에 따른 격납 건물(136), 및 이에 관련된 냉각 및 전력 생산 시스템들을 포함하는 예시적인 실시예에 따른 원자로 시스템(100)의 개략도이다. 도 2에 도시되지는 않았으나, 예시적인 실시예에 따른 시스템(100)은 고압 및 저압 터빈들, 전기 발전기들, 조차장들(switchyards), 응축기들(condensers), 냉각 타워들 혹은 히트 싱크들(heat sinks) 등과 같이 다른 전력 발전 시설에 연결되는 것과 유사하게 예를 들어, 주 급수 라인(120) 및 주류 라인(125)에 연결될 수 있는 종래 알려진 발전 장비들과 함께 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 격납 건물(136)은 일시적인 혹은 사고의 경우, 방사성 물질 및 플랜트 부품들이 이동을 제한하는 탄성의 불투과성 물질로 구성된다. 예를 들어, 격납 건물(136)은 일체적으로 형성된 콘크리트 구조물로서, 내부 강철 혹은 보강용 골조를 수 인치나 수 피트 두께로 보강하여 강화할 수 있다. 혹은 예를 들어, 이하에서 기재되는 바와 같이, 격납 건물(136)은 상대적으로 작으므로, 엄두도 못낼 정도로 비싸거나 복잡하게 형성되지 않고도, 전부 강철로 된 몸체가 사용되어 격납 건물(136)의 강도, 방사능 차폐 및 수명을 강화할 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예에 따른 격납 건물(136)은 지하에 설치될 수 있으며, 원자로 사일로(silo)(190)에 의해 하우징될 수도 있다. 콘크리트 뚜껑(191) 혹은 다른 표면 차폐물은 지면(90)과 동일 높이 혹은 이보다 낮게 설치되어, 예시적인 실시예에 따른 원자로(142) 및 격납 건물(136)을 하우징하는 사일로(190)를 둘러쌀 수 있다. 사일로(190) 및 뚜껑(191)은 지진과 격리되거나 이를 견딜 수 있으며, 이에 따라 지면으로부터의 어떠한 충격파도 최소화할 수 있고 원자로(142)에 대한 지진의 충격 영향을 최소화할 수 있다. 만약 도 2에 도시된 바와 같이 지하에 설치되는 경우, 예시적인 실시예에 따른 시스템(100)은 표면 충격이나 폭발에 대해 극도로 작은 타격 타깃을 제공하거나 이에 대해 강화될 수 있다. 나아가, 만약 지하에 설치되는 경우, 예시적인 실시예에 따른 시스템(100)은 방사능 방출에 대한 추가적인 억제를 가질 수 있으며, 비상 냉각 시 보다 용이하게 냉각제를 공급할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 상기 장점에 손실을 주지 않고도, 어떠한 전기 발전 장비도 지상에 설치되어 이에 연결될 수 있으며, 혹은 그러한 장비도 역시 지하에 설치될 수도 있다.
아래에서 논의되는 예시적인 실시예에 따른 원자로(142)의 작은 사이즈에 기초하여, 예시적인 실시예에 따른 격납 건물(136)은 ESBWR을 포함하는 현존하는 원자력 발전 플랜트들에 비해 컴팩트하고 단순화될 수 있다. GDCS, PCCS, 감압 수조들, BiMAC, 백업 배터리들, 웨트 웰들(wetwells), 토리(torii) 등을 포함하여 종래 동작 및 비상 장비들은 격납 건물(136)로부터 완전히 생략될 수 있다. 격납 건물(136)은 연료 재공급 및 유지를 위해 원자로(142)에 접근이 허용되는 실드(shield)(191) 아래의 하나의 상단 접근점(top access point)과 같이 소수의 접근점들을 통해 접근 가능할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 원자로(142) 및 노심(141)의 상대적으로 작은 부피는 바닥 저지(floor arrest) 및 냉각을 위한 BiMAC를 필요로 하지 않으며, 이는 격납 건물(136)로의 연료 재배치를 위한 어떠한 현실적인 시나리오도 존재하지 않기 때문이다; 그럼에도 불구하고, 예시적인 실시예에 따른 격납 건물(165)은 도 2에 도시된 바와 같이, 어떠한 재배치된 노심 그 전체를 수용하고 냉각시킬 충분한 바닥 두께 및 펼쳐진 영역을 가질 수 있다. 게다가, 도 3을 참조로 아래에서 논의되는 바와 같이, 격납 건물(136)을 통한 전체적인 관통은 최소화되거나 고립되어, 격납 건물(136)로부터의 누설의 위험을 감소시키거나 효과적으로 제거할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 원자로(142)는 비등 원자로로서, 원자로 내부 및 높이에서 승인된 ESBWR과 유사하다. 원자로(142)는 ESBWR보다 예를 들어 1/5 정도로 작을 수 있으며, 예를 들어, 단지 600메가와트까지의 전기를 생산할 수 있으며, 이에 비례하도록 작으며, 예를 들어 1000메가와트-전기보다 작은 전력에서 작동하는 노심(141)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예에 따른 원자로(142)는 거의 28미터의 높이 및 3미터 보다 약간 큰 직경을 가질 수 있으며, ESBWR 내부 구조물에 매칭되지만 횡방향으로 비례적으로 크기가 축소된 내부 구조물을 포함할 수 있고 이는 대략 900메가와트-열 및 300메가와트-전력에서 동작할 수 있다. 혹은, 예를 들어, 원자로(142)는 ESBWR과 동일한 비율을 가질 수 있으며, 높이 대 폭 비율이 대략 3.9로서 부피가 더 작도록 축소된 크기를 가질 수 있다. 물론, 예시적인 실시예에 따른 원자로(142)에는 다른 치수들이 사용될 수도 있으며, 예를 들어, 높이 대 폭 비율이 2.7 혹은 2.0일 수도 있고, 이는 보다 작은 사이즈에서 원자로 내부에서 자연 순환 혹은 적절한 유로 구성을 가능하게 할 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 원자로(142)를 상대적으로 높은 높이로 유지하게 되면, 공지의 ESBWR에 의해 달성되는 자연 순환 효과를 예시적인 실시예에 따른 원자로(142)에서 유지할 수 있다. 유사하게, 보다 작은 사이즈의 원자로(142)는 관련된 냉각 장비를 갖고 지하에 보다 쉽게 배치될 수 있으며, 혹은 노심(141) 내의 보다 작은 연료 재고로 인해 보다 작은 과열 및 손상 위험을 가질 수 있다. 나아가, 예시적인 실시예에 따른 보다 작은 크기의 원자로(142)는 보다 낮은 전력을 가지며, 보다 쉽게 모듈 파워 및 정점 파워 요구량을 만족시킬 수 있고, 이는 에너지 요구량에 맞는 보다 쉬운 시작/폐쇄 및/또는 감소된 파워 동작을 가질 수 있다.
주 급수 라인(120) 및 주류 라인(125)과 같은 냉각재 유로(coolant loop)는 감속재, 냉각제 및/또는 전기 생산을 위한 열 전달 유체를 공급하기 위해서 원자로(142) 내로 흐를 수 있다. 하나 혹은 그 이상의 분리 응축기 시스템들(isolation condenser systems)(166)과 같은 비상 냉각제 소스는 급수 라인(120)의 손실과 같은 경우에 원자로(142)의 비상 냉각을 공급할 수 있다. 각 분리 응축기 시스템들(166)은 예시적인 실시예에 따른 원자로(142)에 대해 2개의 연결들을 가질 수 있으며, 이들 중 하나는 증기 출구를 위한 것이고, 다른 하나는 응축액이 원자로(142)로 돌아가기 위한 것이다. 이러한 원자로(142)로의 각 연결들은 격납 건물(136) 내부의 원자로(142)에 일체적으로 연결되며 무시할 수 있도록 작은 고장 위험이 있는 분리 밸브들(111, 112, 167 및/또는 168)을 사용할 수 있다. 분리 밸브들(111, 112, 167 및/또는 168)을 예시적인 실시예에 따른 원자로(142) 내부로 흐르는 작은 수의 시스템들과 함께 사용하는 경우, 냉각제 손실 사고의 가능성은 무시할 수 있을 정도로 작으며, 이는 종래 경수 플랜트에서의 위험보다 적어도 수 개의 오더만큼 작을 수 있다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 분리 밸브(200)의 개략도로서, 상기 분리 밸브는 어떠한 밸브들(111, 112, 167 및/또는 168), 혹은 예시적인 실시예에 따른 격납 건물(136)을 통해 예시적인 실시예에 따른 원자로(142)로 유체를 전달하거나 혹은 이로부터 유체를 제거할 수 있는 어떠한 다른 밸브에 대해서도 사용될 수 있다. 비록 도 2에서 밸브들(111, 112, 167, 168)이 격납 건물(136)의 양쪽에 걸쳐 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이, 이들은 완전히 격납 건물(136) 내에 배치될 수도 있다. 두 개의 분리 게이트 밸브들(210, 220) 및 이들 사이의 연결들을 포함하는 예시적인 실시예에 따른 밸브 몸체(201)는 어떠한 누설이나 고장 위험도 없이 높은 신뢰성의 동작을 가질 수 있다. 예를 들어, 밸브(200)는 ESBWR의 격납 건물 내에 종래 증기 및 급수 라인들에서 발견되는 길로틴 타입의 전단 파괴(shear breaks)를 쉽게 허용하지 않는다. 만약 작은 사이즈의 예시적인 실시예에 따른 원자로(142)와 함께 사용되는 경우, 밸브(200)는 보다 작거나 혹은 단순화될 수 있으며, 종래 도관들 및 밸브들보다 급수 및 증기를 상대적으로 덜 조절할 수 있으며, 나아가 예시적인 실시예에 따른 시스템(100, 도 2 참조)에서의 제조상 어려움 및 고장 위험을 줄일 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 밸브(200)는 과잉(redundant) 봉인 및/또는 분출 방지를 위해서 주 분리 게이트 밸브(210) 및 보조 분리 게이트 밸브(220)를 포함한다. 주 및 보조 게이트 밸브들(210, 220)은 원자로(142) 및 유동관에 연결되는 밸브 몸체(201)와 일체적으로 형성되며, 이들 사이의 흐름을 파괴나 끊어짐 위험없이 허용한다. 고 신뢰성 액츄에이터들(211, 212)은 각각 주 및 보조 게이트 밸브들(210, 220)에 연결되며 게이트 밸브들(210, 220)로부터의 최소한의 누설만을 허용한다. 주 분리 게이트 밸브(210) 및 액츄에이터(211)는 예를 들어, 2003년 CCI에 개재된 "파워 격상 및 생산성 이득을 위한 CCI 원자력 밸브 리소스 가이드"에 개시된 CCI 고-에너지 분리 게이트 밸브 및 액츄에이터일 수 있으며, 이는 전체로 본 명세서에 병합된다. 보조 분리 게이트 밸브(220) 및 액츄에이터(212)는 다른 CCI 고-에너지 분리 게이트 밸브 및 액츄에이터일 수 있다. 유사하게, 밸브들(210, 220)은 체크 밸브들, 구형 밸브들 등일 수도 있으며, 이들은 밸브 몸체(201)와 함께 형성될 때, 고 신뢰성 및 낮은 전단 파괴 고장을 가질 수 있다.
밸브 몸체(201)는 원자로 동작 환경에서 사용가능한 금속과 같이 하나의 주조된 물질로 구성될 수 있으며, 이는 주 분리 게이트 밸브(210) 및 보조 분리 게이트 밸브(220)를 모두 하나의 조각으로 포함할 수 있다. 이와는 달리, 주 및 보조 밸브들(210, 220) 사이에서와 같이 ASME-표준 용접은 원자로 용기-레벨의 신뢰성에서 사용될 수도 있다. 밸브 몸체(201)는 또한 무시할 수 있을 정도의 낮은 고장 가능성을 가지고 ASME-표준 용접을 사용하여 원자로(142)에 일체적으로 용접될 수 있다. 이 경우, 모든 유로들 혹은 도관들은 격납 건물(136) 내부의 원자로(142)에 일체적으로 형성될 수 있으며, 여기서 "일체적으로"는 본 명세서 전반에 걸쳐서 "ASME 원자력 스펙에서의 하나의 조각으로 주조되고 용접되는 것을 포함하여, 물질의 연속성 및 분리불가능성"을 의미한다. 원자로(142)에 일체적으로 결합된 예시적인 실시예에 따른 밸브(200)는 현실적으로 파괴 불가능하므로, 원자로(142)로부터 분리할 수 없는 냉각제 손실 사고의 가능성이 효과적으로 제거될 수 있다. 이러한 방법으로, 원자로(142)는 밸브 몸체가 어떠한 방식으로든 결합 가능한 어떠한 외부 도관(도 2의 급수 라인(120) 혹은 주류 라인(125))으로부터 일체적으로 분리가능하다.
밸브 몸체(201)가 격납 건물(136)을 통과하는 곳에서, 관통 씰(seal)(102)이 사용되어 밸브 몸체(201) 주변을 분리하고 침투 불가능하도록(impermeable) 봉인할 수 있다. 관통 씰(102)은 밸브(200) 주변에 물질 통과 없이 격납 건물(136)을 가로지르는 큰 압력 구배(gradient)를 유지할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 밸브(200)의 보다 작은 고장 위험 및 관통 씰(102)의 추가적인 분리를 통해서, 냉각제 손실, 혹은 격납 건물(136)로 향하는 혹은 이로부터의 누설은 상대적으로 낮은 위험을 가질 수 있으며, 이는 어떠한 파괴도 격납 건물 바깥의 도관 내에서 발생할 수밖에 없기 때문이다. 즉, 밸브 몸체(201)의 일단에 형성된 관통 씰(102)은 어떠한 파이프가 파괴되더라도 플랜트 파이프 재고의 균형으로부터 냉각제가 격납 건물(136)로 주입되는 위험을 효과적으로 제거할 수 있다. 이와는 달리, 관통 씰(102)은 격납 건물(136) 내부에서 매우 짧은 거리로 밸브 몸체(201)로 결합되는 도관 상에 위치할 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 모든 밸브들(111, 112, 167, 168) 및 원자로(142)로의 어떠한 다른 유체 연결들도 예시적인 실시예에 따른 도 3의 밸브(200)를 사용하여, 격납 건물(136) 내의 유로 고장의 무시할 수 없는 위험을 제거할 수 있다. 밸브들(112, 111, 168 및/또는 167)은 수동적으로 작동되어 고장없는 구성을 가질 수 있다. 예를 들어, 주 급수 밸브(111) 및/또는 주류 밸브(112)는 사고나 비정상 작동 조건에서 닫혀 봉인될 수 있다. 예를 들어, 상기 밸브들의 배터리-작동식, 폭발적인 및/또는 고장시 닫히는 솔레노이드 액츄에이터들이 비정상 동작 조건들을 감지하는 순간 작동이 시작될 수 있다. 동시에, 분리 응축기 밸브들(167, 168)은 유사한 신뢰도를 가지고 열릴 수 있으며, 이에 따라 분리 응축기 시스템(166)을 통해 원자로(142)로부터 수동적인 열 제거가 이뤄질 수 있다.
분리 응축기들(166)은 원자로 열을 주변 환경으로 전달하고 원자로 냉각제를 누설 없이 응축하는 공지의 디자인들일 수 있다. 유사하게, 분리 응축기들(166)은 Hunt, Dahlgren 및 Marquino에 의해 "매우 단순화된 비등수 원자로들을 위한 분리 응축기 시스템들"로 공동 출원된 US 15/XXX,XXX호(attorney docket 5.0055.1)에 개시된 응축기들(300)일 수 있으며, 이는 전체로서 본 발명에 병합된다. 예시적인 실시예에 따른 상대적으로 낮은 전력의 원자로(142)는 단순하고, 수동적인 분리 응축기(166)의 동작을 통해서, 수 일 동안 오퍼레이터의 개입 없이도 과열, 냉각제 손실 혹은 원자로(142)에 대한 다른 손상없이 안전한 냉각을 허용할 수 있다.
밸브들(111, 112, 167, 168)을 제외하고, 예시적인 실시예에 따른 격납 건물(136)은 전력 시스템들, 기구, 냉각제 청소 라인들 등과 같은 어떠한 다른 밸브나 관통 기구들 주변에서 봉인될 수 있다. 격납 건물(136)의 보다 적은 수의 관통들, 보다 작은 사이즈, 내부 시스템들의 부재 및/또는 지하 설치를 통해서, 어떠한 누설의 위험 없이도, 보다 큰 동작 압력, 예를 들어 300 psig와 같은 수백 psig에 이르는 근접 원자로 압력을 가질 수 있다.
예시적인 실시예에 따른 원자로 시스템(100)에서 보는 바와 같이, 몇몇 서로 다른 특징들에 의해서 냉각제 손실이 상당히 감소되고, 즉각적이고 유연한 전력 생산이 가능하며, 플랜트 공간 및 지상의 타격 타깃이 감소되고, 원자력 플랜트의 생산 및 작동이 단순화될 수 있다. 특히 알려지고 승인된 ESBWR 디자인 요소들을 보다 작은 부피 및 노심 사이즈로 사용함으로써, 예시적인 실시예에 따른 원자로(142)는 ESBWR 디자인에 내재된 자연 순환과 같은 수동 안전 특징들로부터의 장점을 여전히 가지면서도, 예시적인 실시예에 따른 격납 건물(136)은 훨씬 더 작고 단순화될 수 있고, 비상 열 제거와 같은 수동 분리 응축기들(166)을 사용할 수 있다.
예시적인 실시예들 및 방법들이 기재된 바, 당해 기술 분야의 통상의 기술을 가진 자라면 상기 예시적인 실시예들은 다양하게 변형될 수 있으며, 이하 청구항들의 범위에 여전히 속하면서도 통상적인 실험을 통해 변형 또는 대체 가능할 수 있다. 예를 들어, 예시적인 실시예들이 고리형 강수관 내에 흐르는 정제수를 사용하는 것으로 기재되고 있으나, 다양한 서로 다른 타입의 냉각수 및 유동 통로들이 단순히 적절한 치수를 맞추거나 예시적인 실시예들에 따른 물질 선택을 통해서, 청구항들의 범위에 속하면서도 예시적인 실시예들 및 방법에 적용될 수 있다. 그러한 변형들은 청구항들의 범위를 벗어나지 않는 것으로 간주되어야 한다.

Claims (20)

  1. 원자로;
    상기 원자로에 연결된 적어도 하나의 주 냉각제 유로(loop); 및
    상기 원자로에 연결된 적어도 하나의 비상 냉각제 소스를 포함하며,
    상기 원자로는 상기 주 냉각제 유로 및 상기 비상 냉각제 소스로부터 일체적으로 분리가능한, 상업적 전기 생산을 위한 단순화된 원자로 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 격납 건물을 더 포함하며,
    상기 원자로는 상기 격납 건물 내에 위치하고, 상기 비상 냉각제 소스는 상기 격납 건물 바깥에 위치하며, 상기 격납 건물은 완전히 지하에 설치된 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 격납 건물은 지면으로부터 접근 가능한 상단 실드에 인력이 접근할 수 있는 접근점을 갖는 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 원자로는 그 폭의 적어도 3.9배 이상의 높이를 가지며, 최대 1000메가와트-열의 전력을 갖는 비등수 원자로인 시스템.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 격납 건물은 비상 냉각을 위한 어떠한 열린 냉각제 수조도 포함하지 않는 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 주 냉각제 유로와 상기 비상 냉각제 소스를 상기 원자로에 연결하는 복수의 분리 밸브들을 더 포함하며,
    상기 각 분리 밸브들은 주 및 보조 액츄에이터들을 포함하고, 상기 각 분리 밸브들은 상기 원자로에 일체적으로 형성되어, 상기 주 냉각제 유로 및 상기 비상 냉각제 소스 중 하나에 연결된 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 원자로를 둘러싸는 격납 건물; 및
    복수의 관통 씰들을 더 포함하며,
    상기 각 분리 밸브들은 상기 격납 건물 바깥의 상기 주 냉각제 유로 및 상기 비상 냉각제 소스 중 하나에 연결되고,
    상기 각 관통 씰들은 상기 각 분리 밸브들에서 상기 격납 건물에 안감을 대어(lining) 봉인(sealing)하는 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 유체 냉각제를 상기 원자로로 혹은 이로부터 이동시키는 모든 관통 도관들은 적어도 하나의 상기 분리 밸브를 포함하며, 상기 격납 건물은 300psig에 이르도록 유밀한(fluid-tight) 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    격납 건물; 및
    상기 격납 건물 및 상기 비상 냉각제 소스를 둘러싸는 사일로를 더 포함하며,
    상기 사일로는 상기 격납 건물, 상기 비상 냉각제 소스 및 상기 원자로에 대한 지진 충격을 줄일 수 있는 내진 구조인 시스템.
  10. 원자로;
    상기 원자로를 완전히 그리고 침투 불가능하도록 둘러싸며, 그 내부에는 열린 냉각제 소스나 액티브 냉각제 펌프가 존재하지 않는 격납 건물;
    상기 격납 건물을 통해 상기 원자로에 연결된 적어도 하나의 주 냉각제 유로(loop); 및
    상기 격납 건물 바깥에 위치하며, 상기 격납 건물을 통해 상기 원자로에 연결된 적어도 하나의 비상 냉각제 소스를 포함하는, 상업적 전기 생산을 위한 단순화된 원자로 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 비상 냉각제 소스는 상기 원자로의 냉각제를 응축시키고 상기 원자로로부터 열을 주변 환경으로 전달하는 수조(pool)를 갖는 분리 응축기 시스템인 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 분리 응축기 및 상기 주 냉각제 유로는 각각 상기 격납 건물에서 상기 원자로의 복수의 분리 밸브들 중 2개에 결합되는 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 각 분리 밸브들은 주 및 보조 액츄에이터들을 포함하고, 상기 각 분리 밸브들은 상기 원자로에 일체적으로 형성되며, 상기 각 분리 밸브들은 수동적으로 열리고 수동적으로 봉인될 수 있는 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 분리 응축기는 고장 시 열리거나 일시적 사고를 감지할 때 열릴 수 있는 분리 밸브들에 결합되고, 상기 주 냉각제 유로는 고장 시 닫히거나 일시적 사고를 감지할 때 닫힐 수 있는 분리 밸브들에 결합되는 시스템.
  15. 제 13 항에 있어서, 복수의 관통 씰들을 더 포함하며,
    상기 각 관통 씰들은 상기 각 분리 밸브들에서 상기 격납 건물에 안감을 대어(lining) 봉인(sealing)하는 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 유체 냉각제를 상기 원자로로 혹은 이로부터 이동시키는 모든 관통 도관들은 적어도 하나의 상기 분리 밸브를 포함하며, 상기 격납 건물은 300psig에 이르도록 유밀한(fluid-tight) 시스템.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 원자로는 그 폭의 적어도 3.9배 이상의 높이를 가지며, 최대 1000메가와트-열의 전력을 갖는 비등수 원자로인 시스템.
  18. 제 13 항에 있어서, 상기 격납 건물은 완전히 지하에 설치된 시스템.
  19. 제 13 항에 있어서, 상기 격납 건물 및 상기 비상 냉각제 소스를 둘러싸는 사일로를 더 포함하며,
    상기 사일로는 상기 격납 건물, 상기 비상 냉각제 소스 및 상기 원자로에 대한 지진 충격을 줄일 수 있는 내진 구조인 시스템.
  20. 폭의 적어도 3.9배 이상의 높이를 가지며, 최대 1000메가와트-열의 전력을 갖는 비등수 원자로;
    상기 원자로를 완전히 그리고 침투 불가능하도록 둘러싸며, 그 내부에는 열린 냉각제 소스나 액티브 냉각제 펌프가 존재하지 않고, 완전히 지하에 설치된 격납 건물;
    상기 격납 건물을 통해 상기 원자로에 연결된 적어도 하나의 주 냉각제 유로(loop);
    상기 격납 건물 바깥에 위치하며, 상기 격납 건물을 통해 상기 원자로에 연결된 적어도 하나의 비상 냉각제 소스로서, 상기 주 냉각제 유로 및 상기 비상 냉각제 소스는 상기 격납 건물 내부에서 상기 원자로에 일체적으로 형성되고;
    상기 주 냉각제 유로 및 상기 비상 냉각제 소스를 상기 격납 건물을 통해 상기 원자로로 연결하며, 각각이 주 및 보조 액츄에이터들을 포함하고 상기 원자로에 일체적으로 형성된 복수의 분리 밸브들;
    각각이 상기 각 분리 밸브들에서 상기 격납 건물에 안감을 대어(lining) 봉인(sealing)하는 복수의 관통 씰들; 및
    상기 격납 건물 및 상기 비상 냉각제 소스를 둘러싸며, 상기 격납 건물, 상기 비상 냉각제 소스 및 상기 원자로에 대한 지진 충격을 줄일 수 있는 내진 구조인 사일로를 포함하는, 상업적 전기 생산을 위한 원자로 파워 플랜트.
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